动态生成理想干涉点源阵列的点源发生器的研究

摘要

光学自由曲面具有能够改善光学系统成像质量、减少透镜使用数、缩小系统尺寸等优点，使其在照明、航空航天、生物医疗等领域被广泛使用。但是由于其表面梯度变化较大，使得其面形检测成为光学领域的一大难题。目前，因倾斜波面干涉法(Tilted-Wave-Interferometry，简称TWI)具有检测精度高、通用强、测量动态范围广等优点，使其在自由曲面面形测量方面备受关注。
　　点源发生器是倾斜波面干涉系统的关键器件，产生用于补偿待测件局部梯度的球面波点源阵列。目前，国内外研究的倾斜波面干涉系统中，点源发生器由针孔阵列、透镜阵列和掩膜板构成。但是由于构成透镜阵列的单透镜具有球差，造成单透镜出射的光束不是理想球面波，进而导致倾斜波面干涉系统在测量中引入误差;其次，透镜阵列制作完成后，无法根据被测件的面形动态生成点源阵列，制约倾斜波面干涉系统的检测通用性。
　　本文提出了基于光纤阵列的点源发生器的新方案，解决基于透镜阵列的点源发生器的上述问题。研究了基于光纤阵列的点源发生器的设计方法，并研制了各个关键器件，制作了用于倾斜波面干涉系统的光纤阵列型点源发生器。
　　为了保证倾斜波面干涉系统的相干性，在设计基于光纤阵列的点源发生器时采用保偏技术，保证点源发生器出射的任意两束球面波之间的相干性。本文设计了基于菲索干涉原理的相干性检测装置，对实际研制的光纤阵列型点源发生器的相干性进行了测试，证明该器件的相干性符合倾斜波面干涉系统的要求。
　　本文对光纤阵列型点源发生器的点源间距误差对倾斜波面干涉系统的影响规律做了仿真分析，得出结论为:纤芯间距误差必须控制在15μm以内才能使引入TWI系统的波面误差小于λ/10。同时设计并搭建了光纤阵列纤芯间距测量系统，采用成像法获得点源发生器出射两束光的光斑图。利用椭圆拟合方法来确定光斑中心位置并计算纤芯间距，得到研制的点源发生器的纤芯间距误差为1.75μm，满足了倾斜波面干涉系统的精度要求。
　　本文分析了基于光纤阵列的点源发生器的任意两个点光源之间的初始光程差对倾斜波面干涉系统测量结果的影响。设计并搭建了基于小数重合法的全光纤马赫曾德干涉测量系统，对实际研制的光纤阵列型点源发生器的各个点源之间由于光纤长度不一致引起的初始光程差进行了测量。计算出相应的误差数据矩阵，作为固有误差引入到倾斜波面干涉系统的误差模型中，以消除点源之间的光程差对TWI系统测量精度的影响。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 课题背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 倾斜波面干涉法国内外研究现状

1．2．2 光纤阵列的国内外研究现状

1．3 本论文主要研究内容

2 倾斜波面干涉系统及点源发生器的工作原理

2．1 倾斜波面干涉系统工作原理

2．2 点源发生器的作用及工作原理

2．3 基于光纤阵列的点源发生器的新方案

2．4 本章小结

3 基于光纤阵列的点源发生器的设计及研制

3．1 基于光纤阵列的点源发生器的点源分布的数学模型

3．2 基于光纤阵列的点源发生器设计

3．3 基于光纤阵列的点源发生器的关键器件研制

3．3．1 光纤阵列的设计与研制

3．3．2 光开关及光纤耦合器的选型

3．3．3 动态生成点源分布的控制模块的设计与研制

3．4 本章小结

4 基于光纤阵列的点源发生器的相干性研究

4．1 倾斜波面干涉系统对点源发生器的相干性要求

4．2 常用的相干性检测方法

4．3 对光纤阵列型点源发生器的相干性的检测实验

4．4 本章小结

5 基于光纤阵列的点源发生器的点源间距的测量

5．1 光纤阵列的纤芯间距对倾斜波面干涉系统影响的分析

5．2 常用光纤阵列纤芯间距测量方法

5．3 光纤阵列纤芯间距检测实验

5．4 本章小结

6 基于光纤阵列的点源发生器各光束的光程差分析

6．1 基于光纤阵列的点源发生器各光束之间相位差对系统影响分析

6．2 光纤阵列型点源发生器的光程差检测

6．2．1 光程差检测实验方案

6．2．2 小数重合法

6．3 实验结果分析

6．4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献